本文選題：微流控　切入點(diǎn)：片上器官系統(tǒng)　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：體外細(xì)胞及生物組織的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)與藥物實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)人類第三代醫(yī)療并解決藥物開發(fā)周期長(zhǎng)、耗資大等問題的重要手段。微流控芯片技術(shù)具有耗材少、響應(yīng)快、集成度高等優(yōu)點(diǎn),特別適合應(yīng)用于以人類細(xì)胞與組織的體外培養(yǎng)及測(cè)試為代表的相關(guān)領(lǐng)域。片上器官系統(tǒng)(Organs-on-a-chip)是微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方向的新突破,其最終目標(biāo)是將人體主要功能的片上器官芯片連起來形成有機(jī)整體,為體外細(xì)胞組織培養(yǎng)與藥物實(shí)驗(yàn)提供模擬人體的動(dòng)態(tài)環(huán)境。片上器官系統(tǒng)中流體的合理循環(huán)泵送是實(shí)現(xiàn)片上器官系統(tǒng)基本功能的前提,但是目前的微流體驅(qū)動(dòng)形式并不能滿足片上器官系統(tǒng)的要求,成為片上器官系統(tǒng)研究進(jìn)程中的瓶頸。因此,探究合理的片上器官培養(yǎng)液的泵送方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)微流控片上器官的核心功能具有重要意義。本文將針對(duì)體外細(xì)胞及組織芯片的動(dòng)力源及動(dòng)態(tài)培養(yǎng)等問題展開。依托微型電極結(jié)構(gòu)及交流電場(chǎng)作用的交流電動(dòng)微流體驅(qū)動(dòng)方式是芯片集成動(dòng)力源的研究熱點(diǎn),其主要包含交流電滲與交流電熱兩種方式。交流電滲適用于對(duì)電導(dǎo)率較低的流體進(jìn)行操控,而交流電熱適合操控電導(dǎo)率較高的溶液,特別適合成為以生物培養(yǎng)液為代表的高電導(dǎo)率溶液的動(dòng)力源。本文首先研究交流電熱的基本理論,針對(duì)線性模型難以準(zhǔn)確描述高電導(dǎo)率(大于1.5 S m-1)流體電熱行為的問題,建立了多物理場(chǎng)耦合的增強(qiáng)型交流電熱模型,并推導(dǎo)了電體積力中多參數(shù)隨溫度變化的表達(dá)式,為理論預(yù)測(cè)交流電熱流體驅(qū)動(dòng)特征奠定基礎(chǔ)。為探求細(xì)胞及組織體外動(dòng)態(tài)培養(yǎng)與傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)的差異性,以傳統(tǒng)注射泵為動(dòng)力源,設(shè)計(jì)了多功能可重封灌注式生物反應(yīng)器。反應(yīng)器中的動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)細(xì)胞及組織提供了一個(gè)模擬人體的動(dòng)態(tài)生存環(huán)境。低濃度人體腎臟胚胎細(xì)胞(HEK293T)與人體結(jié)腸癌細(xì)胞(SW620)在芯片中二維平面培養(yǎng)72 h。通過細(xì)胞形態(tài)、密度、存活率與生長(zhǎng)率對(duì)比動(dòng)態(tài)培養(yǎng)與靜態(tài)培養(yǎng)的差異。在芯片中通過對(duì)永生化皮膚細(xì)胞(Ha Ca T)進(jìn)行生長(zhǎng)期7天、分化期35天的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)培養(yǎng),成功地重建了人體表皮結(jié)構(gòu)。通過對(duì)7天生長(zhǎng)期培養(yǎng)的單層表皮組織中細(xì)胞存活率、生長(zhǎng)率、上皮鈣粘著蛋白熒光標(biāo)記染色,及35天分化期后的表皮組織工程學(xué)切片的蘇木精 伊紅及抗原抗體熒光標(biāo)記染色,對(duì)比分析了傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)與灌注動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的差異,并說明動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)。交流電熱驅(qū)動(dòng)高電導(dǎo)率流體會(huì)在驅(qū)動(dòng)電極周圍產(chǎn)生一定的溫升,為避免電場(chǎng)及高溫對(duì)細(xì)胞的傷害,將自循環(huán)芯片設(shè)計(jì)成細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)與泵送區(qū)分離的環(huán)形通道,并用熱電偶溫度傳感器分別對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)與泵送區(qū)進(jìn)行溫度檢驗(yàn)。泵送區(qū)通過三十對(duì)電極產(chǎn)生交流電熱驅(qū)動(dòng)芯片中的流體,并用熒光微球作為示蹤粒子測(cè)量流體驅(qū)動(dòng)速率。以電壓幅值為3 V、頻率為10 MHz的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片,對(duì)HEK293T細(xì)胞與SW620細(xì)胞分別動(dòng)態(tài)培養(yǎng)72 h。結(jié)果表明細(xì)胞生長(zhǎng)良好,揭示了交流電熱自循環(huán)芯片在細(xì)胞培養(yǎng)中的優(yōu)勢(shì)。對(duì)自循環(huán)芯片電極參數(shù)進(jìn)行改進(jìn),并改良微通道的形狀,減少自循環(huán)芯片中的流阻。最后,用不同濃度的抗癌藥物5-氟尿嘧啶在片上對(duì)SW620細(xì)胞進(jìn)行藥物實(shí)驗(yàn),得出SW620細(xì)胞對(duì)不同濃度5-氟尿嘧啶的片上耐藥曲線。為解決片上器官系統(tǒng)中不同溶液的混合問題,設(shè)計(jì)產(chǎn)生混合作用的重組非對(duì)稱電極。建立三維仿真模型,對(duì)混合電極的旋轉(zhuǎn)角度及驅(qū)動(dòng)電壓、溶液電導(dǎo)率對(duì)混合效果的影響進(jìn)行詳細(xì)分析,利用摻雜熒光素的KCl溶液對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最后,利用電極傾斜角度為60°的微混合器在電壓幅值為3 V時(shí)進(jìn)行細(xì)胞抗癌藥物濃度梯度的混合實(shí)驗(yàn)。選用乳腺癌細(xì)胞(MCF-7)在不同濃度乳腺癌特效抗癌藥物他莫昔芬中進(jìn)行藥物實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證微混合器的有效性和實(shí)用性。
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本文編號(hào)：1700533